CN110542870A - 一种霍尔传感器集成芯片中灵敏度和零点温漂的补偿电路及其补偿方法 - Google Patents

Abstract

一种霍尔传感器集成芯片中灵敏度和零点温漂的补偿电路，其包括霍尔敏感元件、放大器、加法器、缓冲器、增益调整模块、零点调整模块、温度传感器、应力传感器、ADC（模拟数字转换器）、控制处理电路、第一DAC、第二DAC、出厂温度补偿系数存储器、出厂应力补偿系数存储器、用户增益校正值存储器、用户零点偏移校正值存储器。还相应提供了一种霍尔传感器集成芯片中灵敏度和零点温漂的补偿电路。本发明大大提升了灵敏度和零点温漂补偿的精度，提升了传感器的性能指标，同时满足客户在传感器生产或使用过程中进行灵敏度和零点的温度补偿的需求，不仅实现了灵敏度的温度补偿，而且实现了零点温漂的补偿。还可以快速响应外部磁场的变化。

Description

一种霍尔传感器集成芯片中灵敏度和零点温漂的补偿电路及 其补偿方法

技术领域

本发明涉及一种霍尔传感器集成芯片，特别是包含灵敏度和零点温漂补偿的霍尔传感器集成芯片。

背景技术

现有的霍尔传感器芯片可以用于制作成电流传感器用于电流测量，其基于霍尔效应，霍尔芯片感应电流产生的磁场输出霍尔电压信号，该信号的大小与电流产生的磁场大小成比例。霍尔芯片的指标参数会影响基于霍尔效应的电流传感器的性能，比如，霍尔芯片的灵敏度和输出零点。灵敏度是霍尔芯片输出信号与其所处磁场成比例变化的比值，输出零点是霍尔传感器芯片在零磁场下的静态电压输出。

霍尔传感器在工作时，环境温度会发生变化，而环境温度的变化会影响灵敏度和输出零点的漂移。其中灵敏度漂移是受芯片内部信号处理增益放大倍数的变化影响，输出零点的漂移是霍尔传感器芯片在零磁场下静态电压输出信号的直流偏移，这种直流偏移就是信号处理电路中放大器的失调。

具体一点讲，由于半导体器件固有的温度特性，其器件性能会受温度变化而变化。半导体工艺掺杂材料和掺杂浓度的不同，半导体器件有的呈现正温度系数，有的呈现负温度系数。霍尔传感器芯片内部信号处理电路受不同器件的温度系数的影响，在不同温度下，放大器的增益和失调的大小会发生细微的变化，导致霍尔传感器芯片的灵敏度和输出零点发生变化。

其次，温度的变化会影响霍尔传感器芯片的封装和霍尔电流传感器的结构发生变化。芯片的封装变化会产生应力，应力会影响霍尔传感器芯片的性能，尤其是影响霍尔传感器芯片中霍尔元件的敏感特性。特别是目前大多霍尔电流传感器组装过程中，均使用了灌封胶对霍尔传感器芯片和铁芯进行固定，即灌封胶会和霍尔传感器芯片直接无缝接触。温度的变化会使灌封胶产生膨胀或收缩，使胶的膨胀系数和应力大小发生变化。两者都会芯片的封装产生影响。这种影响很大程度上表现为应力挤压，进一步影响霍尔传感器芯片的灵敏度和静态输出零点。

综上所述，工作环境温度发生变化时，霍尔传感器芯片的灵敏度偏移和零点漂移受三个关键因素影响。其一是霍尔传感器芯片内部半导体器件固有的温度系数，其二，霍尔传感芯片的封装受温度影响产生的应力。其三，霍尔电流传感器组装过程中的灌封胶的影响。受温度影响产生的变化，在这里我们统称为温漂，即灵敏度温漂和输出零点的温漂。

霍尔传感器芯片目前大都采用模拟补偿技术，比如采用压敏电阻等，可以调节灵敏度和 输出零点随温度产生的偏移，但往往以牺牲灵敏度和输出零点的精度为代价。另外模拟补偿技术是固定的，不适合生产或者现场改变的补偿和校准。

而具有数字电路的霍尔传感器芯片往往比模拟电路的传感器慢，换句话说，具有数字电路的霍尔传感器芯片不能很好地响应快速变化的磁场。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的上述不足而提供一种霍尔传感器集成芯片中灵敏度和零点温漂的补偿电路，使其能够适用在具有模拟信号链路的霍尔传感器芯片中，采用模拟信号链路与灵敏度和零点的温漂补偿的数字电路相结合，可以实现快速的响应和灵敏度与零点的温度补偿。

本发明还相应地提供了一种霍尔传感器集成芯片中灵敏度和零点温漂的补偿方法，使其能够实现灵敏度与零点温漂的快速补偿。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：

一种霍尔传感器集成芯片中灵敏度和零点温漂的补偿电路，其特征在于：其包括霍尔敏感元件、放大器、加法器、缓冲器、增益调整模块、零点调整模块、温度传感器、应力传感器、ADC（模拟数字转换器）、控制处理电路、第一DAC（数字模拟转换器）、第二DAC（数字模拟转换器）、出厂温度补偿系数存储器、出厂应力补偿系数存储器、用户增益校正值存储器、用户零点偏移校正值存储器；

所述霍尔敏感元件依据霍尔效应检测周围磁场的大小；

所述放大器对霍尔阵列输出的霍尔电压进行放大；

所述加法器将放大器输出信号和零点调整电路输出信号进行相加，然后输出给缓冲器；

所述缓冲器将加法器的输出信号进行缓冲输出，加大输出信号的负载能力；

所述增益调整模块对放大器的增益大小进行控制，进而实现霍尔传感器芯片灵敏度大小的控制；

所述零点调整模块对实现霍尔传感器芯片零点偏移大小的控制；

所述温度传感器对霍尔传感器芯片工作环境的温度进行测量；

所述应力传感器对霍尔芯片承受的应力大小的测量；

所述ADC，一方面将温度传感器的输出值进行数字化，然后输出给控制处理电路，来识别当前的温度大小；另一方面将应力传感器的输出值进行数字化，然后输出给控制处理电路，来识别当前的应力值大小；

所述控制处理电路，一方面接收当前温度值大小，然后判断当前温度值，所处的温度补偿区域，然后通过查表法读取所处温度区域两端的出厂补偿系数，然后通过插值法计算出当前温度值TC的补偿系数；另一方面接收当前应力值大小，然后判断当前应力值，所处的应力补偿取，然后通过查表法读取所处应力区域两端的出厂补偿系数，然后计算出当前应力值的补偿系数；最后将当前温度值的补偿系数和当前应力值的补偿系数以及用户校正值进行算法融合，计算出组合校正值，传递给第一DAC和第二DAC ；

所述第一DAC和第二DAC将数字信号转变成模拟信号，分别连接增益调整模块和零点调整模块；

所述出厂温度补偿系数存储器存储不同温度区域的增益和零点的补偿系数；

所述出厂应力补偿系数存储器存储不同应力区域的增益和零点的补偿系数；

所述用户增益校正值存储器和用户零点偏移校正存储器，分别存储增益校正值和零点偏移校正值。

更好地，上述霍尔敏感元件利用半导体工艺以对称的阵列形式在硅片表面形成霍尔阵列，可有效提升有效信号的信噪比，及降低周围杂散磁场的影响。

更好地，上述ADC采用2阶Σ-ΔADC结构，通过过采样实现高精度的模数转换，同时不需要消耗太多功耗。

更好地，上述放大器采用低失调斩波放大器，将信号调制至高频后放大，然后信号解调至低频输出，这样可以消除一部分1/f噪声。

更好地，上述温度传感器利用两个不同电流密度的PN结电压差值ΔVBE的温度系数和温度成正比，来实现温度的测量。

更好地，上述应力传感器采用硅压阻阻值的变化测量应力。

更好地，上述用户增益校正值存储器和用户零点偏移校正存储器采用EEPROM存储器，可以多次擦写。

相应地，一种霍尔传感器集成芯片中灵敏度和零点温漂的补偿方法，其特征在于：通过上述补偿电路，测量外界的温度和压力进行灵敏度和零点温漂的补偿。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明通过芯片内部存储的出厂温度、应力补偿系数，利用温度传感器检测当前温度，通过查表法和内部插值法计算当前温度的补偿系数；利用应力传感器检测当前承受的应力，通过查表法和内部插值法计算当前应力值下的补偿系数；同时读取用户校正值，三者相结合，建立组合校正系数，进行灵敏度和零点温漂的补偿，大大提升了灵敏度和零点温漂补偿的精度，提升了传感器的性能指标，同时满足客户在传感器生产或使用过程中进行灵敏度和零点的温度补偿的需求，不仅实现了灵敏度的温度补偿，而且实现了零点温漂的补偿。

本发明霍尔传感器芯片中信号放大处理采用模拟电路实现，可以快速响应外部磁场的变化。

附图说明

图1是本发明实施例霍尔传感器集成芯片中灵敏度和零点温漂的补偿电路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图、实施例对本发明进一步说明。

如图1所示， 一种霍尔传感器芯片中灵敏度和零点温漂的补偿电路，其包括霍尔敏感元件、放大器、加法器、缓冲器、增益调整模块、零点调整模块、温度传感器、应力传感器、ADC、控制处理电路、DAC1、DAC2、出厂温度补偿系数存储器、出厂应力补偿系数、存储器用户增益校正值存储器、用户零点偏移校正值存储器。

所述霍尔敏感元件与放大器相连接，霍尔敏感元件感应磁场大小产生霍尔电压，放大器对霍尔电压进行放大。

增益调整模块和放大器相连，控制放大器的增益大小，来控制芯片灵敏度的大小。加法器和放大器的输出、零点调整模块、缓冲器相连接，实现传感器芯片零点的调整和输出信号的输出。

温度传感器与ADC相连，温度传感器实现传感器芯片工作温度测量，温度值的大小通过ADC转换，供控制处理电路读取。

应力传感器与ADC相连，应力传感器实现传感器芯片工作应力大小的测量，应力值的大小通过ADC转换，供控制处理电路读取。

出厂温度校准系数存储器和控制处理电路相连接，用来存储增益和零点的不同温度区域的补偿系数。

出厂应力校准系数存储器和控制处理电路相连接，用来存储增益和零点的不同应力区域的补偿系数。

用户增益校正值存储器、用户零点偏移校正存储器、DAC1的输入、DAC2输入和控制处理电路相连。

DAC1的输出和增益调整模块相连，DAC2的输出和零点调整模块相连。

以下对出厂温度补偿系数存储器内部储存的数据进行分析。

1.对芯片工作温度范围进行划分，假设芯片工作范围是-40度到120度，可以选定5个校正温度点，将整个工作温范围划分成4块。如TC1对应-40度，TC2对应0度，TC3对应40度，TC4对应80度，TC5对应120度。

2.在选定的校正温度点下，如TC3，也就是40度，测量传感器芯片的增益和零点偏移，然后建立温度T3下增益和零点偏移的校正系数。

3.在选定的其他校正温度点下，测量传感器的增益和零点偏移，然后建立增益和零点偏移的校正系数。

4.将选取的校正温度点的增益和零点偏移的校正系数保存到出厂温度补偿系数存储器中。

以下对出厂应力补偿系数存储器内部存储的数据进行分析。

a.对芯片工作应力范围进行划分，假设芯片承受的应力工作范围是10MPa到200MPa，那么我们可以选定5个校正应力点，将整个工作应力温范围划分成4块。如ST1对应10MPa，ST2对应50MPa，ST3对应100MPa，ST4对应150MPa，ST5对应200MPa。

b.在选定的校正应力点下，如ST3，也就是100MPa，测量传感器芯片的增益和零点偏移，然后建立应力点ST3下增益和零点偏移的校正系数。

c.在选定的其他校正应力点下，测量传感器的增益和零点偏移，然后建立增益和零点偏移的校正系数。

d.将选取的校正应力点的增益和零点偏移的校正系数保存到出厂应力补偿系数存储器中。

霍尔传感器芯片中灵敏度和零点温漂的补偿电路工作原理和补偿方法如下。

1.霍尔传感器芯片工作。

芯片上电后，霍尔元件开始工作，感应外部磁场产生霍尔电压，放大器进行放大，增益调整电路控制放大器的放大倍数，放大器的输出和零点调整电路的输出通过加法器相加输出给缓冲器，缓冲器最终实现电压信号的输出。

2.灵敏度温度补偿。

芯片电路上电后，温度传感器检测芯片检测当前所处的工作温度TC，通过ADC进行数据转换，供控制处理电路读取当点温度值，然后判断当前温度值TC所处的温度区域，此处假设温度T处于TC2和TC3之间。控制处理电路将温度区域两端的增益校正系数读取出来，然后进行插值计算，建立当前温度值TC下的增益校正值。同理应力传感器检测芯片承受到应力大小，建立当前应力值ST下的增益校正值。然后接收用户增益校正值存储器中的增益校正值，三者通过算法融合建立组合增益校正值，送入DAC1，用于增益调整电路控制放大器增益的大小，来补偿灵敏度漂移。

3.零点偏移温度补偿。

同理芯片电路上电后，温度传感器检测芯片当前所处的工作温度TC，通过ADC进行数据转换，供控制处理电路读取当前温度值，然后判断当前温度值TC所处的温度区域，此处假设温度TC处于TC2和TC3之间。控制处理电路将温度区域两端的零点偏移校正系数读取出来，然后进行插值计算，建立当前温度值TC下的零点偏移校正值。同理应力传感器检测芯片承受到应力大小，建立当前应力值ST下的零点校正值。然后接收用户零点偏移校正值存储器中的零点偏移校正值，三者通过算法融合建立组合零点偏移校正值，送入DAC2，用于零点调整电路调整霍尔传感器芯片输出的零点的偏移，来补偿零点输出的漂移。

本发明霍尔传感器集成芯片中采用内置温度传感器，实现霍尔传感器芯片工作温度的测量，为温度补偿电路提供温度参考值。

本发明霍尔传感器集成芯片中采用内置的应力传感器，实现霍尔传感器芯片承受应力大小的测量，为应力电路补偿提供参考值。

本发明霍尔传感器集成芯片中通过对传感器整个工作温度范围选取关键温度点进行校准，将出厂温度补偿系数写入存储器，芯片可以通过查表法进行自动温度补偿，保证工作温度范围内，芯片性能的一致性。

本发明霍尔传感器集成芯片中通过对传感器整个工作应力范围内选取关键应力点进行校准，将出厂应力补偿系数写入存储器，芯片可以通过查表法进行自动的应力补偿，保证整个工作应力范围内，芯片性能的一致性。

本发明霍尔传感器集成芯片中通过增加用户存储器，存储增益校正值和零点偏移校正值，通过和出厂温度补偿系数、出厂应力补偿系数相融合，可以实现传感器在生产中灌封胶应力影响或者现场使用中进行灵敏度和零点温漂的校准。

Claims (8)

1.一种霍尔传感器集成芯片中灵敏度和零点温漂的补偿电路，其特征在于：其包括霍尔敏感元件、放大器、加法器、缓冲器、增益调整模块、零点调整模块、温度传感器、应力传感器、ADC（模拟数字转换器）、控制处理电路、第一DAC、第二DAC、出厂温度补偿系数存储器、出厂应力补偿系数存储器、用户增益校正值存储器、用户零点偏移校正值存储器；

所述霍尔敏感元件依据霍尔效应检测周围磁场的大小；

所述放大器对霍尔阵列输出的霍尔电压进行放大；

所述加法器将放大器输出信号和零点调整电路输出信号进行相加，然后输出给缓冲器；

所述缓冲器将加法器的输出信号进行缓冲输出，加大输出信号的负载能力；

所述增益调整模块对放大器的增益大小进行控制，进而实现霍尔传感器芯片灵敏度大小的控制；

所述零点调整模块对实现霍尔传感器芯片零点偏移大小的控制；

所述温度传感器对霍尔传感器芯片工作环境的温度进行测量；

所述应力传感器对霍尔芯片承受的应力大小的测量；

所述ADC，一方面将温度传感器的输出值进行数字化，然后输出给控制处理电路，来识别当前的温度大小；另一方面将应力传感器的输出值进行数字化，然后输出给控制处理电路，来识别当前的应力值大小；

所述控制处理电路，一方面接收当前温度值大小，然后判断当前温度值，所处的温度补偿区域，然后通过查表法读取所处温度区域两端的出厂补偿系数，然后通过插值法计算出当前温度值TC的补偿系数；另一方面接收当前应力值大小，然后判断当前应力值，所处的应力补偿取，然后通过查表法读取所处应力区域两端的出厂补偿系数，然后计算出当前应力值的补偿系数；最后将当前温度值的补偿系数和当前应力值的补偿系数以及用户校正值进行算法融合，计算出组合校正值，传递给第一DAC和第二DAC ；

所述第一DAC和第二DAC将数字信号转变成模拟信号，分别连接增益调整模块和零点调整模块；

所述出厂温度补偿系数存储器存储不同温度区域的增益和零点的补偿系数；

所述出厂应力补偿系数存储器存储不同应力区域的增益和零点的补偿系数；

所述用户增益校正值存储器和用户零点偏移校正存储器，分别存储增益校正值和零点偏移校正值。

2.根据权利要求1所述的霍尔传感器集成芯片中灵敏度和零点温漂的补偿电路，其特征在于：所述霍尔敏感元件利用半导体工艺以对称的阵列形式在硅片表面形成霍尔阵列。

3.根据权利要求1所述的霍尔传感器集成芯片中灵敏度和零点温漂的补偿电路，其特征在于：所述ADC采用2阶Σ-ΔADC结构。

4.根据权利要求1所述的霍尔传感器集成芯片中灵敏度和零点温漂的补偿电路，其特征在于：所述放大器采用低失调斩波放大器，将信号调制至高频后放大，然后信号解调至低频输出。

5.根据权利要求1所述的霍尔传感器集成芯片中灵敏度和零点温漂的补偿电路及其补偿方法，其特征在于：所述温度传感器利用两个不同电流密度的PN结电压差值ΔVBE的温度系数和温度成正比。

6.根据权利要求1所述的霍尔传感器集成芯片中灵敏度和零点温漂的补偿电路，其特征在于：所述应力传感器采用硅压阻阻值的变化测量应力。

7.根据权利要求1所述的霍尔传感器集成芯片中灵敏度和零点温漂的补偿电路，其特征在于：所述用户增益校正值存储器和用户零点偏移校正存储器采用EEPROM存储器。

8.一种霍尔传感器集成芯片中灵敏度和零点温漂的补偿方法，其特征在于：通过根据权利要求1-7所述的任一补偿电路，测量外界的温度和压力进行灵敏度和零点温漂的补偿。